橋梁設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性研究

柯楠

摘? ? 要：交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展對橋梁施工質(zhì)量提出了更高的要求。橋梁設(shè)計(jì)不能局限于滿足一種要求，而是要達(dá)到技術(shù)性、耐久性、安全性和經(jīng)濟(jì)性相平衡的目標(biāo)。因此，橋梁設(shè)計(jì)要通過應(yīng)用多種措施，使設(shè)計(jì)效果達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的目標(biāo)。本文主要針對橋梁設(shè)計(jì)中的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：橋梁設(shè)計(jì);經(jīng)濟(jì)性;實(shí)用性

1? 橋梁安全性、耐久性問題重要性

1.1? 經(jīng)濟(jì)損失巨大

根據(jù)國外的橋梁工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，如果橋梁在建設(shè)完成后發(fā)生安全性或者耐久性方面的問題，則在后期的運(yùn)營和維護(hù)工作中將會造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。國外這種典型工程實(shí)例并不少見，上世紀(jì)80年代，英國的英格蘭中環(huán)線上的10來座高架橋，僅運(yùn)行不到15年，就花費(fèi)了上數(shù)十億英鎊在維修工作上，而當(dāng)初這些橋梁的建設(shè)成本不到2億，兩者竟相差5倍以上。不僅在國外，國內(nèi)這樣的案例也并不少見。北京西直門環(huán)形立交橋，由于交通運(yùn)輸路網(wǎng)規(guī)劃發(fā)生較大變化，于20世紀(jì)末進(jìn)行拆除，在施工作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)由于長期處于工作環(huán)境溫度過低的狀態(tài)下，橡膠支座性狀硬化，工作性能明顯下降。根據(jù)橋梁原設(shè)計(jì)文件，計(jì)劃該橋運(yùn)行周期為50年，而橋上的橡膠支座還未服務(wù)10年就已經(jīng)性能嚴(yán)重下降，可見如果不對該橋進(jìn)行拆除，后期的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用金額巨大。

1.2? 工程事故影響大

根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，橋梁事故發(fā)生的主要原因都是人為因素引起的。對于存在明顯病害的橋梁工程不進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)或者拆除處理，很可能會造成災(zāi)難性的損失。

1.3? 惡劣的環(huán)境社會影響

在我國，絕大部分橋梁都是由于種種原因而頻繁地進(jìn)行維修，有些橋梁甚至是才達(dá)到一半的服務(wù)期就被迫拆除，這些不良的橋梁使用狀況無疑是對社會資源的一種極大的浪費(fèi)。如位于梅觀高速上的觀瀾河大橋，該橋總長近500m，由于各種原因經(jīng)專家論證分析后，提出該橋無法滿足現(xiàn)有的承載力需求，決定拆除。隨著國家宏觀經(jīng)濟(jì)政策的發(fā)展和改變，政府和社會資本合作模式來運(yùn)營公共設(shè)施項(xiàng)目已經(jīng)變成一種常態(tài)。對于很多橋梁工程，如果按照這種模式，橋梁工程的耐久性問題成為了影響PPP合作模式利益分配是否合理的關(guān)鍵因素。

2? 橋梁設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容

2.1? 技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性

2.1.1? 設(shè)計(jì)方案選擇

橋梁設(shè)計(jì)方案比選對工程具有重要作用，對之后的工程初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)具有重要影響。保證設(shè)計(jì)方案的合理性，除了能降低造價和縮短工期，還能在工程的設(shè)計(jì)周期內(nèi)發(fā)揮良好作用。例如，對城市中的多層立交工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時，在高程控制橋跨方面選擇預(yù)彎組合梁，雖然這種中小跨徑橋型的上部結(jié)構(gòu)成本高于普通的鋼混或預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)（高出30%～50%），但是這種上部結(jié)構(gòu)能有效降低上層路線實(shí)際高程，降低路基的平均高度，進(jìn)而創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)立交層數(shù)與橋長增加時，采用這種方式能創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2? 做好功能設(shè)計(jì)

在橋梁設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)考慮橋梁的交通組織功能。橋梁的上下部分都有大量車流，如果設(shè)計(jì)中沒有充分考慮橋梁交通功能，處于交叉口處的橋梁跨徑相對較小，將使橋下向左轉(zhuǎn)彎的車輛缺乏視距，影響行車的順暢性，導(dǎo)致車輛與橋墩發(fā)生碰撞，對交通流量造成限制，無法保障交通安全?？梢?，該橋梁設(shè)計(jì)是失敗的，根本無法發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。因此，橋梁設(shè)計(jì)中必須高度重視功能設(shè)計(jì)，通過良好的功能設(shè)計(jì)，使橋梁除了能夠保證橋上正常行車，又能為橋下車流創(chuàng)造良好的通行條件，保證行車的順暢性與安全。

2.1.3? 充分結(jié)合技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性

在橋梁設(shè)計(jì)過程中，將技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性充分結(jié)合到一起，確保橋梁結(jié)構(gòu)具備以下特征：一是可檢性，即可通過檢查確定橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和存在的病害缺陷;二是可修性，即可通過維修使病害缺陷得以有效處理;三是可換性，即對橋梁上的某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可通過更換新構(gòu)件達(dá)到最佳使用狀態(tài);四是可加強(qiáng)性，即可通過施工外的加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)提高橋梁部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度;五是可控性，即可通過控制使橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于良好狀態(tài);六是可持續(xù)性，即橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能得到持續(xù)發(fā)揮。橋梁工程整體結(jié)構(gòu)使用壽命與不同組成部分的使用壽命并非完全相等，使用壽命比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命短的構(gòu)件，在設(shè)計(jì)過程中必須使其具有可檢性、可修性、可換性與可加強(qiáng)性。

2.2? 結(jié)構(gòu)耐久性

2.2.1? 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性主要影響因素

橋梁結(jié)構(gòu)耐久性主要和結(jié)構(gòu)體系、施工材料和細(xì)節(jié)處理等因素有關(guān)，若結(jié)構(gòu)體系不合理、材料選擇不當(dāng)或細(xì)節(jié)處理不到位，將對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性造成較大影響，具體表現(xiàn)在以下幾方面：一是結(jié)構(gòu)的整體性較差，缺乏足夠的延性，不具冗余性;二是在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中使用的計(jì)算圖與受力模型未能完全明確，導(dǎo)致部分位置的受力不合理;三是結(jié)構(gòu)所用混凝土材料的強(qiáng)度等級相對較低，鋼筋的保護(hù)層厚度未能達(dá)到要求，配筋的直徑偏小，截面厚度不足等。以上問題一旦存在，均會對結(jié)構(gòu)耐久性造成影響，進(jìn)而使成型后不久的橋梁就需要投入大量費(fèi)用進(jìn)行維修和加固。

2.2.2? 做好耐久性設(shè)計(jì)

耐久性設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于使結(jié)構(gòu)達(dá)到要求的使用年限。為了使耐久性設(shè)計(jì)具有良好的可操作性，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對混凝土材料、鋼筋保護(hù)層厚度、鋪裝層排水與構(gòu)造配筋都給出了十分明確和詳細(xì)的規(guī)定。一方面，要提升設(shè)計(jì)人員自身設(shè)計(jì)理念，通常情況下，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員大多注重強(qiáng)度因素，對耐久性的考慮往往不足;注重強(qiáng)度的極限狀態(tài)，未考慮使用極限狀態(tài)，但結(jié)構(gòu)物在全生命周期中最關(guān)鍵的是保證使用性能?；诖?，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，不僅要充分考慮橋梁建成后結(jié)構(gòu)具備的各項(xiàng)性能，還要充分考慮橋梁在實(shí)際營運(yùn)過程中性能和時間之間的關(guān)系，即隨著時間的不斷推移，結(jié)構(gòu)性能有可能退化。另一方面，要綜合考慮所有可能對結(jié)構(gòu)耐久性造成影響的因素，包括混凝土材料耐久性、鋼筋保護(hù)層厚度、鋪裝層防水、構(gòu)造配筋與孔道壓漿質(zhì)量，進(jìn)而制定有針對性的保證結(jié)構(gòu)耐久性的方法。例如，孔道壓漿質(zhì)量直接決定梁體混凝土自身耐久性。對此，在設(shè)計(jì)過程中，可考慮使用真空壓漿技術(shù)提高壓漿施工質(zhì)量，并在張拉完成后立即使用環(huán)氧砂漿封堵錨頭，避免錨頭區(qū)域的鋼絲產(chǎn)生銹蝕，保證結(jié)構(gòu)整體耐久性，減少維護(hù)方面的費(fèi)用。

2.3? 安全性

（1）注重橋梁結(jié)構(gòu)各項(xiàng)使用性能的合理設(shè)計(jì)，如結(jié)構(gòu)變形、開裂、振動、美觀性、耐久性與疲勞性。在設(shè)計(jì)過程中，需要將結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性作為基本出發(fā)點(diǎn)，確保結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營中不僅能達(dá)到安全性要求，而且表現(xiàn)出良好性能，如使用壽命、抗腐蝕性、抗疲勞性與美觀性，以此減少后期維護(hù)方面的成本。

（2）在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)重視橋梁超載及結(jié)構(gòu)疲勞性損傷方面的內(nèi)容。如今，我國公路運(yùn)輸正快速發(fā)展，超載車輛對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較大，包括橋梁疲勞應(yīng)力大幅增加，導(dǎo)致內(nèi)部損傷不斷加劇。此外，因超載產(chǎn)生的損傷不僅難以發(fā)現(xiàn)，而且難恢復(fù)，導(dǎo)致橋梁即便是在正常的荷載條件下，其工作狀態(tài)也會產(chǎn)生明顯變化，對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與安全性造成危害，嚴(yán)重時還會造成事故。因此，必須在設(shè)計(jì)中予以充分考慮，在盡可能避免超載發(fā)生的基礎(chǔ)上，制定有效的內(nèi)部損傷檢測與快速修補(bǔ)方法，以此使橋梁結(jié)構(gòu)始終處于正常狀態(tài)。

3? 結(jié)束語

綜上所述，橋梁設(shè)計(jì)中必須保證橋梁的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，但經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性并非單獨(dú)存在，而是與橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性具有緊密聯(lián)系。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須對包含技術(shù)性、耐久性、安全性與經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)的各方面要求進(jìn)行綜合考慮，在此基礎(chǔ)上制定合理有效的設(shè)計(jì)方案，以便使橋梁工程使用功能與經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到雙贏。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王永州.橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的研究[J].西部皮革，2019（14）.

[2] 吳榕芝.道路橋梁施工美學(xué)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性探討[J].交通世界，2020（10）.